接触件铜材应用的基础技术研究
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扬奋为高工出席中国铜加工行业协会作“接触件铜材应用的基础技术研究”主题报告 摘要 接触件铜材品质是影响连接器电接触可靠性的关键因素。开展接触件铜材应用的基础技术研究，对提升电连接器的品质水平意义重大。本文在详细论述接触件铜材应用基础技术研究目的和内容基础上，指出其实施要点，并提出了有关建议。 关键词 连接器 接触件 材料 应用 1 接触件铜材应用基础技术研究目的 电连接器是连接电子、电气整机系统广泛使用的基础器件，它的可分离性是区别于其它元件的特性或本质。电连接器技术研究通常由基础研究、应用基础研究和产品研发三部分组成：—是基础研究，研究电接触基础理论及连接器电接触可靠性，关注外界可能与行业发展相关的新技术动向(如3D打印、金属注射等增材制造新技术)，研究其对行业可能产生影响及可能的应用前景;二是应用基础研究，研究连接器产品设计、材料、制造工艺和检验方法等应用基础标准，关注产品研发团队需求，为研发团队提供技术支持，对产品使用出现问题故障分析，为解决问题提供方案;三是产品研发，根据需求进行新产品研制[1]。目前我国连接器大型企业通过“产、学、研”结合，组建含这三部分研究内容的协作团队，而中小企业往往仅关注新产品研发，前二部分研究能力非常薄弱。 最近笔者应邀赴某著名电连接器企业研发基地测试实验室参观学习和技术交流。发现部分研发试验人员虽学历很髙，但对电连接器零件材料选用和相应制作工艺的基础知识了解颇少。往往直接引用国外电连接器产品标准，但对其产品标准中每个零件设计选材的原由和依据理解甚少或根本不理解。反思其根源是由于我国电连接器产品过去以仿制为主，照搬照抄国外产品标准规范，只知道必须这样做，而不知道为什么要这样做，缺乏对电连接器接触件、绝缘体等关键零件材料应用的基础研究。面对众多国外引进用于的电连接器关键材料，我国具有自主知识产权的等效替代材料创新研究非常薄弱。导致用国产材料制作的电连接器和国外同类产品相比是“形似质差”。 2018年7月13日工信部副部长、国家制造强国建设领导小组办公室主任辛国斌指出：中国制造业创新力不强、核心技术短缺的局面尚未根本改变。工信部对全国30多家大型企业、130多种关键基础材料调研结果显示;32%关键材料在中国仍为空白，52%关键材料依赖进口。其中也涉及到电连接器，我国高端领域应用的电连接器接触件、绝缘体等关键零件材料长期依赖进口。每年从欧美、日本和韩国进口的高端铜板带达12千吨以上。 本文重点论述电连接器的关键零件之—，接触件铜材应用的基础技术研究。接触件插合接触界面和与电线电缆端接界面的不确定性，是影响电接触可靠性的关键因素。接触件电接触界面某些离散区域的形成，真正接触并起传导作用区域的构成，决定了连接器电接触可靠性。接触件选材时应以性能要求为依据，从弹性极限、弹性模量、强度、延伸率、疲劳强度、成型性、导电性、耐蚀性、耐热性、表面质量、尺寸偏差和可焊性等方面进行综合考虑。我国用于制作高可靠电连接器接触件的铍铜等基础材料一直依靠进口。 随着国家供给侧结构性改革深化，人们在充分理解基础材料对保证电连接器产品质量的重要性同时，也越来越认识到选用国产材料替代进口的紧迫性。因为进口材料虽目前能完全满足连接器技术要求，但往往受价格和交货期，特别是受国际形势影响较大。而选择国产材料虽短期内部分质量—致性和可靠性指标尚不能达到产品设计要求，但从战略发展分析考虑必须解决制约我国电连接器发展的瓶颈之一，即解决国产材料选择和来源问题。 笔者作为—名上世纪六、七十年曾致力于导弹、火箭等航天金属材料国产化研究的老专家。每当亲临电连接器企业生产现场，看到许多关键零件材料都依赖进口十分拗心。我认为关键基础材料和芯片一样也是国家核心技术，是—个国家强大具有实力的象征。强国必须从关键基础材料抓起，它是一项耗资巨大、见效慢，但意义不亚于飞船、商飞、高铁的国家系统工程。 2接触件铜材应用概述 在一台典型的设备系统中，总会发现许多错综复杂的连接器等互连器件。它包括普通导线、印刷电路板、印刷电路连接器、背板接线和互连电缆等。通常可将在电子或电气设备上的连接方式分为以下六种类型。一个系统中不一定全部需要这六种连接类型，但肯定包含其中的一种或几种类型： 1) 元件内部的连接; 2) 元件至印制电路板或导线的连接; 3) 同一单机内部框架上印制电路板至导线或其它印制电路板(指框架内)的连接; 4) 同一单机箱体内从一个内部框架至另一内部框架之间的连接; 5) 由一个单机设备至另一个单机设备的外部连接; 6) 系统与系统之间的连接。 引线框架是实现第二类连接形式的接触件，它作为集成电路的芯片载体，借助于键合材料实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接，起到和外部导线连接的桥梁作用。 引线框架由于制作和封装应用需要，除高强度、高导热性外，还要求良好的可焊性、冲压性、蚀刻性和氧化膜粒粘接性等。根据产品需要的性能(强度、导电性、导热性等)，常选用铜-铁系C194、铜-镍-硅系C70250等制作。 连接器的阳接触件(插针)和阴接触件(插孔)是实现第三类至第六类连接的关键零件。它将来自连接器尾部所连电线和电缆的电压或信号传递到与其相配的连接器对应接触件上。 通常阳接触件为插针形，阴接触件为插孔形。根据接触件在绝缘体中能否被拆卸，可分为不可拆卸和可拆卸两种。针(孔)接触件通常分为刚性和弹性二种：刚性阳接触件形状为圆柱形或方形(圆插针或片插针)对应弹性阴接触件(直开槽、侧开槽、方形、线簧、片簧、冠簧插孔)。弹性阳接触件(绞线、片簧插针)形状为鼓形，对应刚性阴接触件。 接触件前端是实现插针与插孔有效接触的部位，后端是用于与导线、印制板等连接的端接部位。接触部位一般都选用弹性良好的铜合金丝材或带材。 为防止刚性插针插拔时弯曲损伤,插针常选用具有较高机械强度的黄铜(H62、HPb59-1等)制作。为保证弹性插孔插合时接触可靠,防止塑性变形和应力松弛,插孔常选用具有较高弹性极限与疲劳极限和适当弹性模量的锡青铜(QSn4-3、QSn6.5-0.1等)、铍青铜(C17200、QBe2等)或镍硅青铜(C70250等)制作。此外,接触件铜材还要求其加工成型性良好、内部弹性均匀、耐蚀性好、导电、导热率高和可焊性好等。 3接触件铜材应用基础技术研究内容 3.1接触件铜材强化理论的应用研究 接触件在设计选材和工艺制造过程中应首先熟知其材料强化常用的几种机理; 1)冷变形强化 冷变形强化又称冷作硬化，金属材料在再结晶温度下的变形称冷变形。冷变形后材料即被强化，强化程度随变形度、变形温度及材料本身性质而不同。同一材料、同一温度下冷变形时，变形度越大强度越高，但塑性随变形度增加而降低[2]。变形强化受合金塑性限制，当变形度高到一定程度合金会出现开裂使材料报废。表1列出接触件常用黄铜、青铜合金带材按GB/T2059-2017规定的机械性能[3]。 表1 接触件常用黄铜、青铜合金带材机械性能(GB/T2059-2017)
表1中状态代号说明;O60 退火、H01 1/4冷硬、H02 1/2冷硬、H04 冷硬、H06 特硬、H08 弹硬。由表1可见，相同规格、牌号的铜合金带材抗拉强度和硬度，随冷作硬化变形量增加而提高，而塑性相应降低。连接器常选用C5191(QSn6.5-0.1)、QSn4-3等锡青铜制作插孔接触件。相同规格的C5191(QSn6.5-0.1)、QSn4-3等锡磷青铜具有比H62、HPb59-1等黄铜更高抗拉强度和硬度。但锡青铜添加锡成本增加，且导电率较低、反复折弯性能较差。为此国内外相继研发了C42500、C41125、PW33520(C42230)等高性能、低成本替代产品[4] ，其中我国研发的PW33520合金屈服强度570Mpa、导电率34%，是原C5191两倍，能满足高传输、低温升要求。坏方向折弯性能也比原C5191优秀明显。锡含量比原C5191低，可回收镀锡、镀镍角料。对比锡磷青铜综合性能优异、性价比高。 冷变形使合金内部晶粒大小和取向变化(图1)，位错大量增殖，位错在运动过程中相互作用形成割阶、缠结，阻碍位错进一步发生运动，从而提高材料强度。 冷轧带材在平行于轧制方向的塑性较好，但在钣金折弯中，折痕垂直于轧制方向的折弯性能较好。但因合金成分和制造工艺不同，也有与压延方向垂直的(横向)的折弯方向折弯加工性能更好的合金。连接器冲压接触件(端子)一般都存在与压延方向垂直的(横向)的折弯，因此，通常用比较铜合金带材横向折弯加工性来判断材料的折弯加工性优劣。
图1冷轧前后合金晶粒度变化 图2 溶质元素的固溶会引起晶格畸变 2)固溶强化 合金元素固溶到基体金属中形成固溶体时，合金强度、硬度一般都会提高，称为固溶强化。溶质元素的固溶会引起晶格畸变，阻碍位错运动，因此对提高合金的抗应力松弛性能是有帮助的(图2)。但固溶强化元素不能无限制添加，一方面是因为所有元素的固溶，都会不同程度地降低铜的导电率，另一方面，更重要的是元素添加量过多会恶化合金的加工性能。 铜合金固溶强化提高强度、硬度同时，塑性仍保持在良好水平上。锌固溶到铜中形成各种规格二元黄铜。锌在固态铜中溶解度不象一般合金系随温度降低而减小，相反是随温度降低而增加，当温度降至456℃时，锌在铜中溶解度增至最大为39%，进一步降低温度，锌在铜中溶解度随温度降低而减小。H62黄铜含38%锌，具有良好的机械强度、加工塑性、导电、导热和耐蚀性。广泛用于制作插针接触件。HPb59-1铅黄铜，在含40%Zn的黄铜中加1～2%Pb，不仅无害，还能使切屑易脱落，提高合金切削加工性。被誉为易切黄铜，也被常用于制作插针。 3) 沉淀强化(时效强化) 在固溶度随温度降低而减小的合金系中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体。在较低温度加热(即时效)，过饱和固溶体将发生分解，析出弥散相并引起合金强化，称为沉淀强化(或时效强化、弥散强化)。经时效热处理使基体中第二相颗粒呈细小弥散分布，除增加强度、硬度等力学性能外，还同时提高其导电率和导热率。是目前最常用的高性能铜合金强化方法。 作为高可靠连接器弹性接触件常用材料的铍青铜，是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金。铍在铜中极限溶解度为2.7%(864℃)，随温度下降而急剧降低，在300℃降至0.02%。故铍青铜经淬火时效进行沉淀强化后，具有高的强度、弹性、耐磨性、耐疲劳性和耐蚀性。表2列出了按YS/T323-2012标准生产的QBe2铍青铜带固溶处理后不同冷作硬化处理和再补充沉淀(时效)处理后机械性能[5]。 表2 铍青铜带机械性能(YS/T323-2012)
表中代号说明：TB00固溶处理、TD01固溶处理 冷加工至1/4硬、TD02固溶处理 冷加工至1/2硬、TD04固溶处理 冷加工至冷硬、TF00固溶处理 沉淀处理、TH01固溶处理 冷加工至1/4硬 沉淀处理、TH02固溶处理 冷加工至1/2硬 沉淀处理、TH04固溶处理 冷加工至冷硬 沉淀处理。由表2可见，铍青铜具有比黄铜和其他青铜更高的强度和硬度，特别是补充沉淀(时效)处理后强度和硬度可比固溶处理后提高近一倍。例如制作0.635mm间距超微矩形电连接器的绞线式插针，采用三股0.06mm铍铜线外包着七股0.038mm铍铜线，绕成的缆束直径仅0.2mm。经280℃、2h时效处理后显微硬度明显提高，与未经时效处理相比硬度提高70%，使绞线式插针针头性能稳定不易磨损。 4)过剩相强化 过量合金元素加入基体金属， 一部分溶入固溶体，超过极限溶解度部分不能溶入，形成过剩的第二相，简称过剩相。过剩相对合金一般都有强化作用。其强化效果与过剩相本身性能有关，过剩相强度、硬度越高，强化效果越大。但硬脆的过剩相超过一定限度会使合金变脆，机械性能反而降低。 过剩相强化和沉淀强化有相似处;过剩相强化时，强化相较粗大，用金相显微镜低倍即能观察到。而沉淀强化时，强化相极为细小、弥散度大，一般用金相显微镜观察不到。过剩相强化在有色合金中广泛应用，几乎所有在退火状态使用的两相合金都应用过剩相强化。 5)细化组织强化 细化组织是金属材料常用的强韧性方法之一，对单相合金是指晶粒细化，对多相合金是指基体相细化及过剩相细化。细化组织可提高材料室温强度、塑性和韧性。铸造合金可采用变质处理细化组织，即在浇注前在金属熔液中加入微量被称为变质剂元素或化合物，影响金属熔液结晶为细密组织。 图3、图4为锡磷青铜普通工艺和细化晶粒工艺的显微组织对比。变形合金可采用变形及再结晶方法组织细化。铜合金带材或丝材通过冷轧、冷拉和中间再结晶退火，使规格变得越来越薄和越来越细之同时组织细化。抗拉强度有所提高，而塑性适当降低。用于智能化连续冲压、电镀生产接触件(端子)的铜合金带材晶粒度和晶粒均匀度，将影响材料机械强度和折弯性能。细化晶粒可改善铜合金带材的折弯性能。
图3 普通工艺显微组织 图4 细化晶粒工艺显微组织 3.2 用于接触件的髙强度、高导电铜合金材料应用研究 铜合金中添加锌、铝、锡、锰、镍等元素固溶强化提高强度之同时，一般都会降低导电率。在导电率-抗拉强度关系图中不同合金系铜合金处于不同位置(图5)。
图5 铜合金抗拉强度-导电率关系 用于接触件的高强度、高导电铜合金应用研究主要有以下三方面; 1) 高导电方向铜合金的应用研究 高导电铜合金板带一般要求屈服强度500MPa以上，导电率80%IACS左右。主要应用于大电流连接场合，如基站电源连接器、新能源汽车连接器和智能手机连接器。智能手机内部搭载的连接器通电量呈增加趋势，每芯通电量由原来0.3A增至1.5～3.0A，由此要求铜合金在保持较高强度水平同时具有高导电性。USB TYPE-C公端端子原选用导电率12%的C52100锡磷青铜发热，改用导电率65%的高导电铜镍硅合金可抑制发热和温升。 2)平衡方向铜合金的应用研究 一般铜合金导电性越好，要维持高强度越难。平衡方向铜合金板带主要应用于对材料强度及导电率均有一定要求的场合，一般要求屈服强度650MPa以上，导电率65%IACS左右。例如重载连接器和USB TYPE-C母端端子要求高导电性和良好的耐插拔性，由于用户设计理念不同，有的重视导电性，有的重视屈服强度，故高导电铜镍硅合金有二种类型供用户选用;导电率65%、屈服强度650MPA，或导电率90%、屈服强度490MPA。 3)高强度方向铜合金的应用研究 高强度铜合金板带一般要求屈服强度900MPa以上，导电率20%IACS左右。主要用于信号连接部分，如VCM弹片、耳机弹片、SIM卡连接器等。某厂家的智能手机厚度五年内变薄20%以上，由此使得装配在手机内部多数板对板连接器也扁平化、细间距化，手机其它所有连接器同样都要求小型化。原选用黄铜、锡磷青铜的机械强度和折弯工艺成形性能难以满足越来越苛严要求，改用铜镍硅合金或钛铜等高性能铜合金才能满足高强度、良好的折弯加工性和高导电等特性要求。相同形状的端子选用铜镍硅合金或钛铜制造和原用锡磷青铜相比，铜镍硅合金可提高12%接触压力，而钛铜则可提高22%接触压力。 3.3 用于接触件的铜合金抗应力松弛及耐热性能研究 1) 抗应力松弛性能研究 金属应力松弛是指在恒定高温承载状态下，总应变(弹性应变加塑性应变)保持不变，而应力随时间延长逐渐降低的现象称为松驰。松弛和蠕变是一个问题两个方面;材料在恒定高温下工作，当保持应力恒定就产生蠕变，当保持应变恒定就产生松驰。 用于接触件的铜合金抗应力松弛性能，是决定材料能否可靠应用的重要技术特性。电连接器常因插孔接触件材料应力松驰，造成接触不良或瞬间断电等失效故障。国内外大型铜合金生产企业对此都开展深入系列研究，并为用户提供各种恒定高温承载状态下，不同牌号材料的应力松驰曲线。图6为KMD公司提供的C70250铜镍硅合金(CuNi3Si)沉淀强化状态、强度等级R620(抗拉强度620-760Mpa)、不同恒定高温下的应力松驰曲线。
图6 KMD公司提供的C70250 R620沉淀强化状态应力松驰曲线 2) 耐热性能研究 合金室温强度决定于金属的原子结合力和对位错运动的阻力。要提高合金的热强度，首先必须提高金属原子之间结合力。金属原子之间结合力可从合金熔点、再结晶起始温度、自扩散激活能和弹性模量等物理参数得到判断。为提高铜合金耐热性，进行合金化时添加的合金元素不宜显著降低合金熔点，应具有较高的扩散激活能。 用于接触件的铜合金材料，通常用测量在相同温度、长时间加热接触压力变化(应力松弛)来衡量其耐热性。据日本JX公司介绍;加热150℃持续1000小时后连接器的接触压力和加热前的接触压力进行比对，黄铜只有8%、磷青铜只有50%，都大幅下降。而铜镍硅合金还有80～90%、钛铜更高可保持95%以上的接触压力[6]。 汽车上所用各种连接器接触件材料耐热性要求比智能手机更高。汽车内部各部位的温度环境;发动机室120℃、发动机表面135℃、仪表板表面120℃、车内地板105℃、后甲板117℃、人乘坐汽车无空调时实际车内部分温度可达120℃。车载连接器根据车内位置的耐热性(防止应力松弛、受热不变形)要求，接触件原选用黄铜、磷青铜已无法满足使用要求，现改用耐应力松弛性能更佳的钛铜或铜镍硅合金材料。 3.4 鈹铜及其替代材料的应用研究 铍铜具有比一般青铜和黄铜更高的强度水平。铍铜接触件承受高应力时能无屈服变形或断裂,维持长期的高应力状态而不松弛,在有限的空间内能提供最大的力。并具有高的导电率和导热率、优良的抗腐蚀性、良好的工艺性能。退火或冷轧状态带材任何方向都能冲压成形。故航空、航天等高可靠电连接器弹性接触件一般均选用铍铜制作，部分电连接器产品总规范明确规定接触件应选用铍铜材料。 表3 进口C17200和国产QBe2铍铜的化学成分
表3列出了进口17200和国产QBe2铍铜化学成分。由表3可见;进口17200主要成分中添加镍同时还添加钴，而国产QBe2只含镍不含钴。钴和镍在周期表位置相邻，化学性质相近，添加进铍铜中的作用和效果基本相同，能降低铍在固态铜中的溶解度，抑制相变过程，延缓淬火及时效过程中过饱和固溶体的分解，并有细化α固溶体晶粒作用。钴是较稀缺元素，价格比镍约高三倍。从合金化机理分析;国产QBe2能否与添加钴的进口C17200作用相当，尚需进一步试验验证。能否用添加其它元素达到与添加钴相同，甚至比添加钴更好的效果，是一个很值得研究的应用课题。 另外铍铜生产冶炼过程对环境存在污染，今后在国际上是否会逐步禁用，一直是电连接器行业内许多领导和专家关注的问题。为此，笔者曾专门向我国最大的铍铜研制生产企业(宁夏东方集团公司铍铜分公司)咨询;答复是当今世界上还没有对铍铜合金在使用的禁止和限制上有任何法律规定。但从今后发展趋势分析，因铍铜在生产冶炼过程中对环境存在污染，在环保要求苛严格的今天，研发铍铜替代材料一直是业界关注的课题。近年来加上铍铜的价格因素，世界各大铜加工企业相继研发了铜镍锡系、铜镍硅系、钛铜合金系列等替代材料，虽其综合性能仍无法与铍铜合金媲美，但现已有部分应用于实际产品。 为缩小与国外铍铜及其替代材料应用的基础研究差距，实现用国产铍铜及其替代材料等效替代进口的战略发展目标，由国家层面科研机构组织开展铍铜及其替代材料应用的基础研究是一项十分紧迫的任务。 3.5 接触件材料应用标准研究 我国用于制作接触件的铜合金丝材、带材行业标准与国外有明显差距。虽然参照ASTM B197/197M 01修订的铍铜丝行业标准YS/T571-2009，与原YS/T571-2006相比，虽力学性能增加了1/4硬(Y4)、3/4硬(Y1)的性能，并提高了冷加工状态的性能范围，增加了部分拉抗强度上限。但检测铍铜丝材力学性能直径要大于、等于0.1mm，小于0.1mm不作规定。 参照ASTM B194-2008修订的铍铜带行业标准YS/T323-2012，虽带材厚度为0.05～1.5mm，但小于、等于0.25mm抗拉强度、伸长率和硬度不作规定。 连接器小型化，使制作接触件所选铜带越来越薄、丝材越来越细，目前国产铍铜带材、丝材实际生产严重滞后于标准规定，往往是“有标准、无产品”。国产铍铜生产企业尚难提供现行行业标准中规定的各牌号的所有规格、状态和性能。例如绕制间距0.635mm超微矩形电连接器绞线式插针缆束，选用1/4Y(1/4冷作硬化)状态0.038mm铍铜丝，只得选用进口C17200鈹铜丝材。 日本JX、NGK等铜材生产厂十分重视接触件材料应用标准研究，除详细向用户提供高性能铜合金化学成分和不同供应状态机械性能和显微组织外，还提供材料应力松驰、疲劳、耐热性、折弯、可焊性等系统试验数据和推荐应力场合，指导用户准确选材。日本JX、德国KMD公司对铜合金带材折弯性能有深入系统研究。研究认为：铜带生产中晶粒细化可提高铜带折弯性能，铜合金弯曲性能在常规铜合金元素控制和金相组织控制基础上，需进一步增加晶粒度和晶粒均匀度的工艺控制。为此,国外对铜合金带材晶粒细化控制在晶粒平均直径10μm左右。而我国铜合金带材标准GB/B2059-2017仅规定部分铜合金带材(软状态)晶粒度要求，最小的晶粒平均直径为15μm[7]。 美国金属材料协会2014年更新了ASTM B820-14a“测定铜及铜合金带材可成形性的弯曲试验的试验方法”，该标准已采用弯曲试验后使用放大仪器观察，试样弯曲外表面无裂纹的判定方法。早在2004年该标准已将判定的放大倍数由5倍提高至30倍，出现争议时使用150倍金相横截面进一步判定。而我国根据lSO7438.2005“金属材料弯曲试验”，制订的GB/T232-2010“金属材料弯曲试验方法”，采用弯曲试验后不使用放大仪器观察，试样弯曲外表面无可见裂纹的判定方法。和发达国家相比，在铜合金接触件材料应用标准和试验方法研究方面仍有许多空白和不足。 3.6接触件材料在智能制造中的应用研究 连接器生产方式的进步正在改变人们的质量观念和控制方式。过去接触件材料主要依靠原材料入厂理化性能复验和生产过程中附带工艺试片事后检验保证质量。现在智能制造系统供应商构建了成千上万个系统，人工智能计算机辅助设计系统能帮助连接器生产企业，通过软件绘制经验曲线对连接器接触件材料理化性能、成本和可靠性有很好的认识，设计制造出更好的连接器。接触件(端子)自动高速冲压系统能自动计算出力的曲线上每个点最优化宽度，在冲制接触件(端子)过程中实时显示。监控系统在包络曲线内调整，若材料力学性能异常或模具配合不当，使曲线偏离或超出包络曲线后会自动停机。由于铜合金带材冲制接触件(端子)废料有的高达60%，为废料循环回收利用，国内外铜合金生产企业为下游企业提供高品质、高精度铜合金带材冲压件。 TE等连接器著名企业，手机连接器等已实现自动化、高效、低成本的大批量连续生产。通过人工智能技术平台实时利用连接器生产过程的大量数据，动态柔性监控生产过程。通过大数据、云计算预测连接器工作状态和可靠程度。我国博威合金深入研究用户应用环境需求，在国内定制开发铜合金带材处于领先水平。笔者在生产现场看到博威合金研制的部分铜合金带材已能替代进口。航天电器通过智能制造接触件车间原绕线、点焊工种消失，工人由原60名减至15名，产品合格率却由原80%提升至95%。绞线式自动生产线作为“智能制造试点示范项目”通过现场审核[8]。 但目前连接器行业总体智能制造水平低，多数企业接触件生产处于工业2.0机械化时代。如何整合资源结构重组，使其实现通过人工智能计算机辅助设计系统，利用生产过程产生的海量数据，参予接触件材料行业新标准制定，将新标准信息引入到系统中，输入新标准规定的接触件材料理化性能等基本要素做出应用。提升接触件材料从数据到知识、从知识到决策的能力，这是今后接触件材料应用基础研究的重要内容。 4 接触件铜材应用基础技术研究实施要点 4.1改革研究体制 连接器接触件材料应用的基础研究是一项耗资大、见效慢的系统工程，必须国家层面组织“政、产、学、研、用”五方面大协作，任何企业单方面都无能力胜任这项工作。要开发出能与美国Brushwellman、日本NGK等著名品牌抗衡的国产铍铜及其替代材料，必须从整体的特性、功能、目标出发，紧密结合应用去研制设计系统各组成部分的参数和性能，以求得最佳组合。为实现这个共同的创新目标，必须通过改革现行机制，将产业链上的材料研究、生产与应用等单位组成接触件材料应用基础研究联盟。以改变目前材料生产与材料应用脱节，造成材料研究和标准制定流于表面化，材料很难适应不同应用领域的差异化工艺技术要求的现状。 要从管理意识和体制上保证对接触件材料应用的基础研究人、财、物的投入，使有志之士能静下心来，化数年、乃至数十年时间去从事这项研究。未来电连接器企业除加工用户定制的专用接触件外，通用接触件完全可通过互联网 技术服务平台提供。该平台应有国际认同感的创新生态环境和激发创新活力的政策支撑， 4.2培育研究团队 实现电连接器行业由“速度”到“品牌”、由“制造”到“创造”的战略转移，必须借助国家强基工程、互联网 、大数据和智能制造等利好政策，培育一批熟知电连接器设计、材料和工艺的专业、跨界和系统人才，适应在国家层面构建连接器接触件产业链从设计要求提出、材料研发、工艺制造到质量检测评估的系统应用基础研究合作平台和工作机制需要。 该团队除由连接器接触件产业链原材料生产企业、高等院校、科研单位、连接器(接触件)生产企业、使用单位、行业协会和国家主管部委等各方专业人才外，还应由掌握接触件智能生产理论、方法、技术、产品和应用等纵向和经济、管理、标准、法律等横向跨界和系统人才支撑。以促进接触件材料及试验方法的行业标准或团体标准合作研究，争取在电连接器国际标准制订中有更多话语权。 4.3 数据共享合作共赢 进入上世纪八十年代，美国电连接器各大企业，除做必要试验外，已不再进行大规模可靠性试验，原因是随着 生产方式进步，可靠性由质保体系现场收集数据资料来确定。智能化生产过程质量控制产生大量理化、工作状态、故障和失效历史数据是十分珍贵的资源。与可靠性关联的故障具有随机性，随机规律的准确性(精度)与样本数成正比[9]。社会进入大数据时代。建立和完善产品从原材料、工艺制造到最终使用的数据利用，对可靠性分析能起到了事半功倍效果。 目前接触件产业链上仅少数国企或外资企业内部实现了接触件工业3.0的智能化大规模连续批量生产，借助大数据云计算平台，可实时在线监测处理生产过程获取的大量数据，自动精准控制接触件的接触电阻、分离力等质量参数。今后将有更多企业和单位通过智能化改造参予接触件材料应用基础研究，但前提条件是必须创造企业诚信氛围，打破“各自为政、相互保密”现状，建立“数据共享、合作共赢”新机制。 4.4跨界联合开展等效替代进口材料系统研究 必须坚持“问题导向、产需结合、协同创新、重点突破”原则，瞄准我国军用电连接器生产紧缺的接触件等关键基础材料，由政府牵头建立“官、产、学、研、用” 结合的材料创新联盟或研发平台[10]。通过政策和资金扶植，组织产业链上的生产、科研、应用等单位联合攻关，不断试制-应用-改进-再应用-再改进，直至实现完全替代进口材料目标。这是一项国家牵头才能完成，需经历目标确定、系统分析、系统设计、初步试验、扩大试验和生产应用等六阶段的系统工程。 首先要明确系统所达到的目标、工作内容和具体要求。目标是要使国产接触件材料合金含量、添加元素、制造工艺和性能参数，赶上或超过进口材料的生产质量水平，能等效替代进口。经专家对系统分析和系统设计成果评审选出最优方案。经国家主管部委可行性论证、申请立项、落实经费和组织招标，选取国内最优的接触件材料生产企业和电连接器生产企业联合开展接触件材料应用的初步试验。经权威电连接器质量和可靠性检验机构对初步试验的材料及其加工的接触件质量作出评价。再由承担初步试验的接触件材料生产企业提供新试材料扩大试验，给国内更多的航空、航天、军用、信息、交通、能源等领域高可靠电连接器生产企业试用，验证接触件材料应用研究成果。由权威电连接器质量和可靠性检验机构对综合扩大验证试验的材料及其加工的接触件作出质量评价和改进建议。并报请国家有关机构进行材料应用研究成果鉴定。 5建议 学习借鉴发达国家技术集成创新的成功经验，将互联网理念扩展电连接器生产和服务领域，促进电连接器生产企业的分工和专业化，建议接触件材料科技、生产、应用、标准和质检等单位组建“接触件材料应用基础研究联盟”，并相应创建能应用接触件材料基础研究成果，实现通用接触件工业3.0自动化大规模量产的孵化基地兼物流配送中心。可通过国家有关部委组织可行性立题论证，调研接触件材料生产应用现状，摸清与进口材料差距，招标确定承担项目单位。并由国家投资对承担项目单位现有生产设备和检测手段改造，逐步实现国产接触件材料等效替代进口的目标。为有利于接触件生产过程废料回收利用，建议该基地选址最好在铜合金生产企业附近。 参考资料 [1] 许良军 关于强化工业基础能力的思考和研讨 中电元协接插件分会 2015年第五届电接插元件及相关产业技术发展研讨会资料 [2] 有色金属及热处理 有色金属及热处理编写组 国防工业出版社 1981年 [3] YS/T323-2012 铍铜带行业标准 中国标准出版社 2012年 [4] 孟祥鹏 连接器用铜合金材料发展趋势浅谈 2013年第三届电接插元件及相关产业技术发展研讨会论文集 [5] GB/B2059-2017 铜合金带材标准中国国家标准化管理委员会 2017年 [6] 加藤弘德 高性能铜合金 选定方法 国际线缆与连接2017年8-12月 [7] 涂德华 连接器用铜及铜合金带弯曲性能对比研究 机电元件 2016年 第四期 [8] 连接器与开关动态 中电科40所 第183期 2018年 [9] 许良军 电连接器技术综述 中电元协接插件分会 2018年电接插件技本培训资料 [10] 杨奋为 军用电连接器接触件的技术集成创新 2014年第四届电接插元件及相关产业技术发展研讨会论文集
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